Antistatické materiály – ESD – Definice a přínosy

Elektrostatický výboj může být ve výrobním prostředí problémem: nebezpečí sahají od poškození citlivých součástí až po nebezpečí požáru a výbuchu. Existuje celá řada možností, jak minimalizovat jejich výskyt. Antistatické nebo ESD materiály jsou jedním z nich. Následující článek se zabývá příčinami elektrostatického náboje, představuje antistatické materiály (materiály ESD) a popisuje obecné zásady prevence elektrostatického výboje.

Jak vzniká elektrostatický náboj?

Elektrický náboj je parametr fyzické ochrany. Pro pochopení fyzické ochrany je nutné zvážit hmotu na úrovni atomů. Každý jednotlivý atom se skládá z atomového pláště a atomového jádra. Zatímco hlavní hmota atomového jádra se skládá z kladně nabitých částic (protonů) a neutrálních elementárních částic (neutronů), v atomovém plášti se nachází záporně nabité částice (elektrony). Stejné náboje se navzájem odpuzují a protichůdné náboje se vzájemně přitahují. Jsou-li protony a elektrony přítomny ve stejném množství, vnější účinky jednotlivých přítomných nábojů, ale oddělených, se v atomu vzájemně zruší v součtu náboje. Atom je elektricky neutrální. Pokud je však například přítomno více protonů než elektronů, nazývá se to pozitivní náboj.

Elektrostatický náboj je úzce spojen s elektrickým nábojem. Pokud se dva materiály třou o sebe, elektrony se přenášejí z jednoho materiálu na druhý. I když jsou vodivé materiály uzemněny, současně kompenzují přenos elektronů volnými elektrony, což u izolovaných nebo izolačních materiálů není tak snadno možné. V těchto případech materiál, který dokáže držet elektrony méně dobře v atomovém plášti, ztrácí tyto elektrony vůči třecímu partnerovi. Třecí partner uvolňující elektrony má kladný součet náboje v důsledku nedostatku elektronů a třecí partner, na kterého jsou převedeny elektrony, má záporný součet náboje v důsledku nadměrného množství elektronů. Mezi dvěma třecími partnery je rozdílný náboj. K elektrostatickému výboji dochází, když se dotýkají dva předměty s různými elektrickými náboji. Elektrony se vyměňují při kontaktu a může dojít k elektrickému průrazu. Staticky nabité součásti se vybijí.

Při vybíjení nahromaděného elektrostatického náboje mohou proudit vysoké elektrické proudy, které mohou dokonce způsobit popáleniny nebo explozi hořlavých látek.

Způsob, jakým se elektrostatický náboj projevuje, závisí na rozsahu napětí:

• > 3 000 V: Elektrostatický výboj je patrný, např. při dotyku kovové čepele.
• > 5 000 V: Při svlékání oděvu je slyšet elektrostatický výboj, např. praskání.
• > 10 000 V: Elektrostatický výboj je viditelný, např. ve formě jisker nebo blesku.

K bleskům a jiskření dochází například tehdy, když je mezi předměty, které nesou jiné náboje, vytvořena vysoká intenzita pole. Pokud je napětí dostatečně vysoké, dojde k náhlému vyrovnání náboje a krátce proteče elektrický proud (záblesk).

Velký rozdíl mezi izolačními a vodivými materiály je způsoben stabilitou nebo pevností elektronů vložených do atomového pláště. Zatímco všechny elektrony v izolátoru jsou spojeny se svým atomem, elektrony v kovech se mohou také volně pohybovat v beznapěťovém stavu a přeskakovat z jednoho atomového pláště do atomového pláště jiného atomu.

Ochrana proti elektrostatickému náboji

Ochrana před elektrostatickým nábojem je důležitým aspektem bezpečnosti práce, jak je vysvětleno v našem článku o Bezpečnostní normy ve strojírenství. Proč je však ochrana tak důležitá? Každý dostal při kontaktu s kovovými předměty jistě ránu proudem. Čím vyšší je však elektrický náboj, tím nebezpečnější tyto výboje jsou.

V průmyslovém prostředí se může snadno vyskytnout napětí až 10 000 V, což může vést k poškození nebo zničení, zejména u elektronických součástí. Standardní plasty mají riziko elektrostatického náboje, protože mají vysoký povrchový odpor. K problémům může dojít rychle, pokud jsou v nich přepravovány elektronické součásti. Probíhající miniaturizace, zejména v sektoru elektrických a polovodičových zařízení, zvýšila náchylnost k elektrostatickému výboji. Proto je obzvláště důležité statické nabíjení plastů. Komponenty, které jsou zvláště citlivé na elektrostatický výboj, jsou označeny symbolem ESDS pro „elektrostatické citlivé zařízení“:

Při výrobě filmů, polovodičů nebo papíru existuje také riziko požáru a výbuchu. Ochrana je proto nezbytná.

Definice: Materiály ESD a antistatické materiály

Antistatické a ESD materiály se v podstatě liší svým způsobem manipulace s elektrostatickým nabíjením. U antistatického materiálu je cílem zabránit elektrostatickému náboji, aby ovlivňoval elektrostatické vlastnosti materiálu. U materiálů ESD je elektrická vodivost v popředí, takže elektrostatické náboje mohou být vybity obzvláště rychle. Toho je dosaženo přidáním uhlíku. To však neznamená, že antistatické materiály nemohou současně vypouštět elektrostatické náboje, jejich vodivost je pouze nižší než u materiálů ESD.

Pro obě skupiny materiálů existují různé normy. Antistatické materiály se obecně používají v osobní ochraně, v normách jako EN 1149 pro antistatické oděvy nebo EN ISO 20345 pro antistatické bezpečnostní boty. Elektrický odpor musí být tak nízký, že nemůže dojít k žádnému nabíjení, a například lze zabránit vzniku jisker. U materiálů ESD se zaměřujeme na ochranu součástí. EN 61340-4-1 specifikuje požadavky na vodivost povrchů a materiálů. Existují však materiály ESD, které se používají pro osobní ochranu, např. obuv ESD. Pro obuv ESD platí přísnější specifikace s ohledem na schválený elektrický odpor: Mají elektrický odpor mezi 0,1 megaohmů a 100 megaohmů, zatímco rozsah antistatických materiálů je 0,1 až 1000 megaohmů. ESD a antistatické materiály se také používají například ve vodivých podlahových krytinách, obalových materiálech a speciálních povlacích.

V závislosti na kontaktním odporu lze materiály rozdělit do různých kategorií, což je naopak zásadní i v antistatické a ESD technologii:

Provozní principy

Funkčnost různých kategorií materiálů se liší podle následujících zásad:

• Ztráta: Materiály ESD vedou vytvořený náboj materiálem řízeným způsobem a distribuují jej, aby se zabránilo nebezpečným rozdílům napětí.
• Izolace: Izolační materiály zabraňují pohybu nábojů, což může být užitečné v určitých oblastech k ochraně citlivých součástí před nekontrolovaným vybitím.
• Potlačení: Antistatické materiály pomocí speciálních povrchových struktur a aditiv zabraňují hromadění nábojů na povrchu.
• Uzemnění: Vodivé materiály jsou spojeny s potenciálem uzemnění s definovanými uzemňovacími body, aby se řízeným způsobem vypustily přebytečné náboje.

Zkušební metody

Chování elektrické izolace materiálu lze nejlépe stanovit stanovením povrchového odporu a kontaktního odporu. Kontaktní odpor, také nazývaný elektrický odpor, je odpor proudu protékajícího materiálem a je specifikován v ohmech. Kontaktní odpor poskytuje informace o tom, jak dobře nebo špatně může materiál vybíjet náboje ve směru země. Hodnoty se odečítají připojením jedné elektrody k horní a dolní části povrchu a průchodem měřicího proudu těmito hodnotami. Povrchový odpor zase popisuje elektrický odpor na povrchu materiálu. Elektrický odpor je stanoven aplikací elektrického napětí pomocí dvou paralelních elektrod na povrchu a proudem proudícím skrze obě elektrody.

Přístupy založené na návrhu pro prevenci statických nábojů

Statické nabíjení lze již účinně minimalizovat nebo mu zabránit účelnými konstrukčními opatřeními na systémech, součástech a kritických pracovních oblastech. Relevantní kontrolní parametry zahrnují:

• Výběr materiálu
• Uzemnění
• Řízení vlhkosti
• Ionizátory
• Zamezení tření

Výběr materiálu

Obecně platí, že volba mezi antistatickými materiály nebo materiály ESD závisí na aplikaci. Materiály ESD se doporučují, pokud má být elektrostaticky citlivý výrobek přepravován, montován nebo zpracován. Pokud je třeba zabránit vzniku statických nábojů od samého počátku, například pro ochranu personálu před jiskrami, jsou vhodnější antistatické materiály, protože minimalizují hromadění náboje. MISUMI má různé antistatické materiály. Vhodné materiály mohou být také speciální plasty se specifickými vlastnostmi. Více se dozvíte v našem článku Speciální plasty pro praktické lékaře.

Elektrostatické uzemnění

Pokud jsou správně uzemněny, mohou být přebytečné elektrické náboje vybity přímo proti zemnímu potenciálu. Toho lze dosáhnout například pomocí speciálních elektricky vodivých podložek pracovní stanice, zemnicích popruhů nebo speciálních zemnicích bodů na strojích. Všechny vodivé součásti musí být trvale připojeny k zemi.

Řízení vlhkosti

Čím vyšší je vlhkost, tím vyšší je vodivost vzduchu a tím lepší jsou přebytečné náboje, které lze uvolňovat a distribuovat do molekul vody přenášených vzduchem. Dovoluje–li to výrobní prostředí, lze proto použít a monitorovat vyšší vlhkost. Doporučuje se relativní vlhkost 50–60 %.

Ionizátory

Pokud je samotné uzemnění nedostatečné, lze ionizátory použít pro elektrostatický výboj. Generují kladně a záporně nabité páry iontů, které se vážou a kompenzují stávající statické náboje v účinném rozsahu ionizátoru. Ionizátory se často používají, když jsou obrobky vyrobené z izolačního materiálu obráběny, aby se eliminovaly nežádoucí statické náboje.

Zamezení tření

Tření mezi izolátory nebo povrchovými materiály s vysokou impedancí je jednou z hlavních příčin statického nabíjení. Tření lze zabránit použitím pomůcek, jako jsou antistatická maziva nebo aditiva napomáhající posunu. Hlubší pochopení frikčních vlastností materiálu může také pomoci lépe klasifikovat provozní procesy. Další informace naleznete v části Koeficienty Stanovení tření a koeficientu tření hodnot tření materiálů.

Další možností je speciální povrchová úprava, která zajišťuje vytvoření hladší struktury. Toho lze dosáhnout například leštěnými povrchy nebo také speciálními materiály, jako je antistatický silikon nebo PTFE (Teflon) s vodivými plniči.